本發(fā)明涉及一種3D打印技術(shù)，具體涉及一種用于大型陶瓷材料結(jié)構(gòu)件立體成型的二氧化碳激光3D打印設(shè)備及其打印方法。

背景技術(shù)：

3D激光打印是激光立體成形技術(shù)(Laser Solid Forming，LSF)，其基本原理是：首先在計(jì)算機(jī)中生成零件的三維CAD模型，然后將該三維CAD模型按一定的厚度分層“切片”，即將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成一系列的二維輪廓信息，再采用激光熔覆的方法按照輪廓軌跡逐層堆積材料，最終形成三維實(shí)體零件或需進(jìn)行少量加工的零件毛坯。

陶瓷結(jié)構(gòu)件具有高耐磨性、高韌性和優(yōu)異的隔熱性能，在機(jī)械制造、國防軍事等重要的國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，陶瓷結(jié)構(gòu)件的制作多用固相燒結(jié)的方式。該方式在加工過程中，材料并未完全熔化，燒結(jié)成的工件易產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、致密性差等缺點(diǎn)。

與傳統(tǒng)的固相燒結(jié)加工方法相比，激光束具有極高的功率密度，可以熔化各種陶瓷材料。其中CO₂激光束最適合加工非金屬材料，大功率的CO₂激光與陶瓷粉末作用后可迅速將其熔化并能快速冷卻凝固成型。該成型過程中陶瓷粉末完全融合，得到高致密性的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免了固相燒結(jié)所產(chǎn)生的內(nèi)部疏松的結(jié)構(gòu)缺陷。

大型陶瓷結(jié)構(gòu)件的立體成型技術(shù)要求成型機(jī)構(gòu)具備較大尺寸的三維加工空間，更需要大功率的CO₂激光作為光源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一種大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備及其打印方法，它為大型陶瓷材料結(jié)構(gòu)件的立體成型提供了高效、高質(zhì)量的保證。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的一種技術(shù)方案是：一種大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備，包括氣氛箱體和設(shè)在氣氛箱體內(nèi)的CO₂激光3D打印裝置，該CO₂激光3D打印裝置包括底座、銑床工件臺、X軸移動裝置、垂直梁、Z軸移動裝置、懸臂梁、Y軸移動裝置、3D打印加工頭、CCD成像裝置、側(cè)向送粉裝置和移動式光路系統(tǒng)；

所述銑床工作臺固定在所述底座上；

所述X軸移動裝置安裝在所述銑床工件臺后部的支撐座上；

所述垂直梁安裝在所述X軸移動裝置上；

所述Z軸移動裝置安裝在所述垂直梁的左側(cè)面上；

所述懸臂梁安裝在所述Z軸移動裝置上；

所述Y軸移動裝置安裝在所述懸臂梁上；

所述3D打印加工頭安裝在所述Y軸移動裝置上；

所述CCD成像裝置通過固定架安裝在3D打印加工頭的右后側(cè)；

所述側(cè)向送粉裝置安裝在所述3D打印加工頭的左側(cè)；

所述移動式光路系統(tǒng)包括高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、第一反射鏡至第四反射鏡、聚焦鏡片和伸縮導(dǎo)光管；所述高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過支座安裝在所述底座的左側(cè)面上；所述第一反射鏡安裝在所述高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上；所述第二反射鏡安裝在所述支座的上端并位于第一反射鏡的正上方；所述第三反射鏡安裝在所述垂直梁的上部左側(cè)面上并與第二反射鏡位于同一水平面上；所述第四反射鏡安裝在所述懸臂梁的后部左側(cè)面上并位于第三反射鏡的正下方；所述聚焦鏡片設(shè)在所述3D打印加工頭的內(nèi)腔中；所述伸縮導(dǎo)光管連接在第一反射鏡與第二反射鏡之間。

上述的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備，其中，所述側(cè)向送粉裝置包括X方向調(diào)整架、Z方向調(diào)整架、XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和送粉銅管；所述X方向調(diào)整架安裝在所述3D打印加工頭上；所述Z方向調(diào)整架安裝在X方向調(diào)整架上；所述XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝在Z方向調(diào)整架上；所述送粉銅管安裝在XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上。

上述的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備，其中，所述移動式光路系統(tǒng)還包括連接在第二反射鏡和第三反射鏡之間以及連接在第三反射鏡與第四反射鏡之間的具有伸縮性的波紋防護(hù)罩，該波紋防護(hù)罩由耐火材料構(gòu)成并且內(nèi)部充滿清潔、無油的壓縮空氣。

上述的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備，其中，所述高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括絲杠、導(dǎo)軌和滑塊，所述絲杠由手輪驅(qū)動，該手輪帶有鎖緊機(jī)構(gòu)。

上述的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備，其中，位于所述X軸移動裝置上的垂直梁的往復(fù)移動行程為1000mm；位于所述Y軸移動裝置上的3D打印加工頭的往復(fù)移動行程為600mm；位于所述Z軸移動裝置上的懸臂梁的往復(fù)移動行程為800mm。

上述的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備，其中，所述X軸移動裝置、Y軸移動裝置和Z軸移動裝置均由伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、導(dǎo)軌和滑塊組成。

上述的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備，其中，所述氣氛箱體包括維修窗口、維修艙、手套孔、可視窗口和連接在所述氣氛箱體的右側(cè)面下部的工件交換艙。

上述的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備，其中，所述打印設(shè)備還包括通過氣體循環(huán)通道連接在所述氣氛箱體右側(cè)的氣氛凈化系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的另一種技術(shù)方案是：一種大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備的打印方法，包括以下步驟：

三維建模步驟：先利用CATIA軟件對工件建立三維模型，并針對三維模型的懸空部分繪制支撐結(jié)構(gòu)，再將三維模型導(dǎo)入到切片軟件中生成正確的加工位置并對三維模型存在的缺陷進(jìn)行修復(fù)；

切片處理步驟：先將將三維模型導(dǎo)入到切片軟件Magics中，用以生成正確的加工位置并對三維模型存在的缺陷進(jìn)行修復(fù)，再對三維模型進(jìn)行剖分處理，并依次規(guī)劃掃描路徑、設(shè)置掃描參數(shù)和生成3D打印加工代碼；

送粉及光斑調(diào)節(jié)步驟：將基板固定于銑床工作臺上，通過Z軸移動裝置調(diào)整懸臂梁的高度，即調(diào)整位于3D打印加工頭內(nèi)的聚焦鏡的高度，以獲得合適的光斑大小尺寸，再調(diào)整側(cè)向送粉裝置的高度和角度，使粉末流的焦點(diǎn)位于基板的表面并與光斑的中心重合；

開啟氣體循環(huán)步驟：開啟氣氛箱體的凈化裝置及氣體循環(huán)通道，為加工區(qū)域提供全封閉式的惰性氣體保護(hù)氛圍，同時，開啟送粉器和激光器；

打印邊框輪廓步驟：選擇合適的輪廓填充補(bǔ)償，以抵消加工過程中的熱變形對工件尺寸的影響，再通過X軸移動裝置和Y軸移動裝置按照設(shè)定軌跡打印圖形外輪廓；

打印內(nèi)填充步驟：選擇合適的填充圖形和掃描路徑，通過X軸移動裝置和Y軸移動裝置打印圖形的內(nèi)填充部分；

Z軸層降步驟：先通過Z軸向移動裝置向上移動懸臂梁的高度，使3D打印加工頭移動距離為切片層的厚度，再通過X軸移動裝置和Y軸移動裝置進(jìn)行下一層陶瓷材料的打?。?/p>

后處理步驟：打印完成后，手動取出支撐部分并進(jìn)行后續(xù)的表面處理，得到最終的陶瓷材料立體成形件。

本發(fā)明提供的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)具有1000mm×600mm×800mm的大尺寸的立體加工空間；

2)第一反射鏡安裝在高度調(diào)節(jié)裝置上，能夠很好地與1KW以上大功率的CO₂激光光源耦合；

3)大功率的CO₂激光與陶瓷粉末作用后可迅速將其熔化并能快速冷卻凝固成型，避免了固相燒結(jié)所產(chǎn)生的內(nèi)部疏松的結(jié)構(gòu)缺陷；

4)移動式光路系統(tǒng)能夠在機(jī)床高速運(yùn)動過程中也能使激光束精確地到達(dá)加工位置；

5)整個3D打印裝置密封在氣氛箱體內(nèi)部，最大程度上保證了加工質(zhì)量。

本發(fā)明的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備的打印方法為大型陶瓷材料結(jié)構(gòu)件的立體成型提供了高效、高質(zhì)量的保證。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備的立體圖；

圖2是本發(fā)明的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備中的3D打印裝置的立體圖；

圖3是本發(fā)明的打印設(shè)備中的3D打印加工頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的二氧化碳激光3D打印方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

請參閱圖1至圖3，本發(fā)明的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備，包括氣氛箱體2、氣氛凈化系統(tǒng)3和設(shè)在氣氛箱體1內(nèi)的CO₂激光3D打印裝置1，該CO₂激光3D打印裝置1包括底座4、銑床工件臺5、X軸移動裝置14、垂直梁10、Z軸移動裝置9、懸臂梁11、Y軸移動裝置12、3D打印加工頭15、CCD成像裝置13、側(cè)向送粉裝置16和移動式光路系統(tǒng)。

氣氛箱體2的左側(cè)面開設(shè)維修窗口21，并在前部設(shè)有維修艙22，在維修艙22的正面下部開設(shè)若干手套孔23，在維修艙22的正面中部開設(shè)可視窗口24，在維修艙22右側(cè)面下部連接一工件交換艙25。由于氣氛箱體2是全封閉，因此在每個手套孔23中均用橡膠手套塞在手套孔23中，既能將手套孔23密封，又能方便操作工將手伸入氣氛箱體2拿取打印工件。

氣氛凈化系統(tǒng)3通過氣體循環(huán)通道26連接在氣氛箱體2的右側(cè)。

銑床工作臺5固定在底座4上。

X軸移動裝置14安裝在銑床工件臺5后部的支撐座40上。

垂直梁10安裝在X軸移動裝置14上。

Z軸移動裝置9安裝在垂直梁10的左側(cè)面上。

懸臂梁11安裝在Z軸移動裝置9上。

Y軸移動裝置12安裝在懸臂梁11上。

3D打印加工頭15通過上部箱體安裝在Y軸移動裝置12上。

X軸移動裝置14、Y軸移動裝置12和Z軸移動裝置9均由伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、導(dǎo)軌和滑塊組成，使位于X軸移動裝置14上的垂直梁10的往復(fù)移動行程為1000mm；位于Y軸移動裝置上12的3D打印加工頭15的往復(fù)移動行程為600mm；位于Z軸移動裝置9上的懸臂梁11的往復(fù)移動行程為800mm。

CCD成像裝置13通過固定架安裝在3D打印加工頭15的右后側(cè)，可將氣氛箱2內(nèi)加工圖像傳輸至外部的顯示屏。

側(cè)向送粉裝置16安裝在3D打印加工頭15的左側(cè)，該側(cè)向送粉裝置16包括X方向調(diào)整架163、Z方向調(diào)整架162、XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和164送粉銅管161；X方向調(diào)整架安裝163在3D打印加工頭15上；Z方向調(diào)整架162安裝在X方向調(diào)整架163上；XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)164安裝在Z方向調(diào)整架162上；送粉銅管161安裝在XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)164上(見圖3)，使送粉銅管161的軸線與3D打印加工頭15的軸線之間的夾角為45°。當(dāng)需要大光斑加工時，通過X方向調(diào)整架163和Z方向調(diào)整架162，使送粉銅管161向下移動，使其與3D打印加工頭15之間在垂直方向上具有較大的高度差。

移動式光路系統(tǒng)包括高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)6、第一至第四反射鏡71、72、73、74、聚焦鏡片(圖中未示)和伸縮導(dǎo)光管70；高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)6通過支座7安裝在底座4的左側(cè)面上，該高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)6包括絲杠、導(dǎo)軌和滑塊，絲杠由手輪60驅(qū)動，該手輪60帶有鎖緊機(jī)構(gòu)；第一反射鏡71安裝在高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)6上；第二反射鏡72安裝在支座7的上端并位于第一反射鏡71的正上方；第三反射鏡73安裝在垂直梁10的上部左側(cè)面上并與第二反射鏡72位于同一水平面上，該第三反射鏡73可隨垂直梁9沿X軸方向移動；第四反射鏡74安裝在懸臂梁11的后部左側(cè)面上并位于第三反射鏡73的正下方，該第四反射鏡74可隨懸臂梁11沿Z軸方向移動；聚焦鏡片設(shè)在3D打印加工頭15的內(nèi)腔中，該聚焦鏡片可沿Y軸方向移動；伸縮導(dǎo)光管70連接在第一反射鏡71與第二反射鏡72之間。通過旋轉(zhuǎn)手輪60能調(diào)整第一反射鏡71的高度位置，使入射到氣氛箱體2內(nèi)的激光束打在第一反射鏡71的中心位置并將手輪60位置鎖死，確保第一反射鏡71的位置固定不變；

第二反射鏡72和第三反射鏡73之間以及連接在第三反射鏡73與第四反射鏡74之間均連接一具有伸縮性的波紋防護(hù)罩8，以形成水平向光腔和垂直向光腔，該波紋防護(hù)罩8由耐火材料構(gòu)成并且內(nèi)部充滿清潔、無油的壓縮空氣，避免波紋防護(hù)罩8在伸縮時將外部空氣帶入光腔內(nèi)部。

本發(fā)明的移動式光路系統(tǒng)能在機(jī)床高速運(yùn)動過程中也可使激光束精確到達(dá)加工位置。

本發(fā)明的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備在工作時，先開啟激光器、送粉器、氣體循環(huán)通過和凈化系統(tǒng)，再通過銑床數(shù)控系統(tǒng)控制位于Z軸移動裝置9上的懸臂梁11上下運(yùn)動，以獲得最佳的激光光斑大小。通過調(diào)整側(cè)向送分裝置16的高度，使粉末束流與激光束達(dá)到最佳的耦合狀態(tài)。將切片軟件中生成的自動加工代碼導(dǎo)入到數(shù)控系統(tǒng)中并控制位于X軸移動裝置上的垂直梁9和位于Y軸移動裝置上的懸臂梁11插補(bǔ)聯(lián)動完成工件的輪廓邊框和內(nèi)填充的打印。控制Z軸移動裝置9以切片層的厚度正差值層降并繼續(xù)打印至整個工件成型。

側(cè)向送粉裝置15與3D打印加工頭16在送粉工藝上彼此獨(dú)立，當(dāng)使用焦點(diǎn)附近的光斑進(jìn)行加工時則使用3D打印加工頭16進(jìn)行同軸送粉；當(dāng)使用離焦量較大的光斑進(jìn)行加工時，則使用側(cè)向送分裝置15進(jìn)行側(cè)向送粉。進(jìn)行側(cè)向送粉式，粉末束通過送粉銅管161上方的快插接頭處進(jìn)入，同時，送粉銅管161的側(cè)面也配備兩個快插接頭，可通入惰性保護(hù)氣體。粉末束在惰性氣體的吹送作用下進(jìn)入到加工區(qū)域。

再請參閱圖4，本發(fā)明的大型二氧化碳激光3D打印設(shè)備的打印方法，包括以下步驟：

三維建模步驟：先利用CATIA軟件對工件建立三維模型，并針對三維模型的懸空部分繪制支撐結(jié)構(gòu)，再將三維模型導(dǎo)入到切片軟件中生成正確的加工位置并對三維模型存在的缺陷進(jìn)行修復(fù)；

切片處理步驟：先將將三維模型導(dǎo)入到切片軟件Magics中，用以生成正確的加工位置并對三維模型存在的缺陷進(jìn)行修復(fù)，再對三維模型進(jìn)行剖分處理，并依次規(guī)劃掃描路徑、設(shè)置掃描參數(shù)和生成3D打印加工代碼；

送粉及光斑調(diào)節(jié)步驟：將基板固定于銑床工作臺上，通過Z軸移動裝置調(diào)整懸臂梁的高度，即調(diào)整位于3D打印加工頭內(nèi)的聚焦鏡的高度，以獲得合適的光斑大小尺寸，再調(diào)整側(cè)向送粉裝置的高度和角度，使粉末流的焦點(diǎn)位于基板的表面并與光斑的中心重合；

開啟氣體循環(huán)步驟：開啟氣氛箱體的凈化裝置及氣體循環(huán)通道，為加工區(qū)域提供全封閉式的惰性氣體保護(hù)氛圍，同時，開啟送粉器和激光器；

打印邊框輪廓步驟：選擇合適的輪廓填充補(bǔ)償，以抵消加工過程中的熱變形對工件尺寸的影響，再通過X軸移動裝置和Y軸移動裝置按照設(shè)定軌跡打印圖形外輪廓；

打印內(nèi)填充步驟：選擇合適的填充圖形和掃描路徑，通過X軸移動裝置和Y軸移動裝置打印圖形的內(nèi)填充部分；

Z軸層降步驟：先通過Z軸向移動裝置向上移動懸臂梁的高度，使3D打印加工頭移動距離為切片層的厚度，再通過X軸移動裝置和Y軸移動裝置進(jìn)行下一層陶瓷材料的打印；

后處理步驟：打印完成后，手動取出支撐部分并進(jìn)行后續(xù)的表面處理，得到最終的陶瓷材料立體成形件。

上實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求所限定。